基于喉部出口流場(chǎng)的核電機(jī)組凝汽器殼側(cè)蒸汽流場(chǎng)數(shù)值研究

張 莉, 汪 昆, 張 冬, 鮑旭東, 危安澤, 劉 強(qiáng)

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.中核核電運(yùn)行管理有限公司, 浙江 海鹽 314300)

凝汽器是大型電站機(jī)組的重要設(shè)備之一,其運(yùn)行性能關(guān)乎著電站機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。2010年至今,國(guó)內(nèi)多個(gè)核電廠機(jī)組某型凝汽器已累計(jì)發(fā)生6起因凝汽器鈦管開裂導(dǎo)致的海水泄漏故障,給核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響[1]。對(duì)同類型事故凝汽器開展的鈦管開裂處微觀形貌表征研究結(jié)果表明,凝汽器鈦管失效與高速汽流造成鈦管振動(dòng)有關(guān),而且存在廠家對(duì)凝汽器內(nèi)部流場(chǎng)分布的不均勻性考慮不足的問題[1-4]。因此,準(zhǔn)確模擬凝汽器殼側(cè)內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)解決冷卻管振動(dòng)問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于凝汽器殼側(cè)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬,基于多孔介質(zhì)模型的二維數(shù)值模擬方法是目前發(fā)展較為成熟的研究方法[5-6]。文獻(xiàn)[7-12]采用該方法進(jìn)行了凝汽器傳熱性能模擬、影響因素分析等研究,但上述研究都是在默認(rèn)凝汽器殼側(cè)入口蒸汽分布均勻的基礎(chǔ)上開展的。本文基于對(duì)凝汽器喉部流場(chǎng)的數(shù)值模擬,將喉部出口流場(chǎng)的數(shù)據(jù)作為入口邊界條件,在蒸汽入口均勻和不均勻分布的情況下對(duì)凝汽器殼側(cè)蒸汽流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,以期為進(jìn)一步分析凝汽器傳熱性能、評(píng)估冷卻管汽流激振等工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬方法

蒸汽從汽輪機(jī)低壓末級(jí)排出后,依次流入排汽缸、凝汽器喉部和殼側(cè)。由于這3個(gè)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在完整物理模型下難以對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)換熱現(xiàn)象進(jìn)行模擬,因此本文以凝汽器喉部出口(即凝汽器殼側(cè)入口)為界,將模型分為凝汽器喉部和殼側(cè)兩部分,并將數(shù)值模擬獲得的凝汽器喉部出口流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,作為凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)數(shù)值模擬的入口條件。

1.1 耦合排汽缸的凝汽器喉部蒸汽流動(dòng)數(shù)值模擬方法

凝汽器喉部上游的汽輪機(jī)排汽缸對(duì)其內(nèi)部蒸汽流動(dòng)影響較大,因此本文在耦合排汽缸的基礎(chǔ)上模擬凝汽器喉部?jī)?nèi)的蒸汽流動(dòng)[13-14]。在排汽缸和凝汽器喉部?jī)?nèi),蒸汽僅發(fā)生流動(dòng)現(xiàn)象,可以假設(shè)成單相的三維紊流流動(dòng),描述流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊流模型方程等。方程的通用表示形式為

?·(ρuφ)=?·(Γφ?·φ)+Sφ

(1)

式中:?——拉普拉斯算子;

ρ——蒸汽密度;

u——速度矢量;

φ——通用物理量,φ為1,u,k,ε時(shí)分別代表連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)能方程、耗散率方程;

Γφ,Sφ——對(duì)應(yīng)方程的擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)。

1.2 凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)數(shù)值模擬方法

假定凝汽器殼側(cè)的蒸汽流動(dòng)為單相、多組分流體在多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)具有分布質(zhì)量匯和分布阻力的二維紊流流動(dòng),建立控制方程,包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊流模型方程、空氣組分方程等。方程的通用表示形式[15]為

(2)

式中:β——蒸汽流過(guò)多孔介質(zhì)所占的體積比,即多孔率;

u,v——速度分量;

φ′——通用物理量,φ′為1,{u,v},k,ε,ω時(shí)分別代表連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)能方程、耗散率方程和空氣組分方程。

1.3 凝汽器喉部出口速度提取方法

本文采用三維模擬方法獲得凝汽器喉部流場(chǎng),其中得到的喉部出口流場(chǎng)為在二維平面上的速度分布。對(duì)凝汽器殼側(cè)流動(dòng)模擬時(shí)采用的是二維模擬方法,與喉部出口對(duì)接的截面退化成了一維的線條。因此,需要將三維條件下得到的凝汽器喉部出口流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和處理:沿凝汽器殼體寬度方向(即垂直于冷卻管軸線方向)將喉部出口分為若干條狀子區(qū)域,在每個(gè)子區(qū)域內(nèi)提取流過(guò)的蒸汽質(zhì)量流量,以及沿豎直和殼體寬度兩個(gè)方向上的速度矢量分量的平均值。同時(shí),將凝汽器殼側(cè)二維流動(dòng)區(qū)域的入口邊界劃分成與喉部出口子區(qū)域一一對(duì)應(yīng)的寬度,在數(shù)值模擬時(shí),將子區(qū)域蒸汽質(zhì)量流量除以冷卻管有效長(zhǎng)度處理成單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量流量,根據(jù)豎直向下和殼體寬度兩個(gè)方向上的速度矢量分量確定蒸汽流入凝汽器殼側(cè)的速度方向,然后以質(zhì)量入口邊界條件的方式加載到凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)二維數(shù)值模擬的入口邊界上。

2 研究對(duì)象及建模

2.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是文獻(xiàn)[1-3]中某核電站機(jī)組同類型凝汽器。借鑒同類型凝汽器經(jīng)驗(yàn),對(duì)該凝汽器4個(gè)管束模塊中的模塊1和模塊4采取了防振措施,但在2018年2月仍然檢測(cè)出未做防振處理的模塊2疑似出現(xiàn)鈦管泄漏,運(yùn)行人員由此懷疑凝汽器半側(cè)隔離、高壓加熱器緊急疏水、機(jī)組甩負(fù)荷等特殊工況下因局部蒸汽流速較大可能引起冷卻管振動(dòng)。

該凝汽器的整體布局如圖1所示。

圖1 凝汽器整體布局

凝汽器上喉部與汽輪機(jī)低壓外缸通過(guò)焊接剛性連接,凝汽器本體為雙殼體、單背壓、單流程的表面式凝汽器,每個(gè)殼體內(nèi)有2個(gè)換熱模塊,2個(gè)殼體內(nèi)共有4個(gè)換熱模塊,凝汽器管束形狀為樅樹形。管束區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:冷卻管規(guī)格為Φ25 mm×0.7 mm/0.5 mm;管長(zhǎng)為15.411 m;間距為31 mm;數(shù)目為12 204根;管材為Gr2。

2.2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

對(duì)耦合排汽缸的凝汽器喉部進(jìn)行幾何建模,如圖2所示。其中:對(duì)于排汽缸,考慮了外缸、內(nèi)缸和擴(kuò)壓喇叭口的形狀;對(duì)于凝汽器喉部,考慮了包括低壓缸進(jìn)汽管道、抽汽管道、低壓加熱器、疏水聯(lián)箱、旁路擴(kuò)散裝置、高壓加熱器疏水?dāng)U容器連通口等影響蒸汽流動(dòng)的主要部件。為了數(shù)值模擬時(shí)便于給定出口邊界條件,在凝汽器喉部出口下游延長(zhǎng)了10倍喉部出口當(dāng)量直徑的距離。為減少網(wǎng)格數(shù)目及保證網(wǎng)格質(zhì)量,低壓排汽缸和凝汽器喉部區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,流動(dòng)延長(zhǎng)區(qū)域采用六面體網(wǎng)格。

圖2 耦合排汽缸的凝汽器喉部的幾何建模

對(duì)凝汽器殼側(cè)的蒸汽流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行二維幾何建模,繪制出的凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)區(qū)域如圖3所示,并采用四面邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖3 凝汽器殼側(cè)幾何建模

采用590萬(wàn)個(gè)、695萬(wàn)個(gè)、740萬(wàn)個(gè)3套網(wǎng)格對(duì)凝汽器喉部流動(dòng)的數(shù)值模擬進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。3套網(wǎng)格下喉部出口壓力平均值分別為5 168 Pa,5 180 Pa,5 180 Pa,最終選取耦合排汽缸的凝汽器喉部蒸汽流動(dòng)數(shù)值模擬的網(wǎng)格數(shù)目為695萬(wàn)個(gè)。采用12萬(wàn)個(gè)、19萬(wàn)個(gè)、24萬(wàn)個(gè)3套網(wǎng)格對(duì)凝汽器殼側(cè)流動(dòng)的數(shù)值模擬進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,3套網(wǎng)格下殼側(cè)入口壓力平均值分別為5 165 Pa,5 178 Pa,5 178 Pa,最終選取凝汽器殼側(cè)二維流動(dòng)數(shù)值模擬的網(wǎng)格數(shù)目為19萬(wàn)個(gè)。

3 凝汽器喉部蒸汽流動(dòng)的模擬結(jié)果

設(shè)計(jì)工況下,凝汽器壓力為5.18 kPa,蒸汽負(fù)荷為3 031.56 t/h,冷卻水流量為187 200 t/h。在設(shè)計(jì)工況下,對(duì)凝汽器內(nèi)部的蒸汽流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬,流場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 凝汽器喉部流場(chǎng)分布示意

由圖4可以看出,受排汽缸喇叭形流道的引導(dǎo),蒸汽從汽輪機(jī)末級(jí)排出后,流動(dòng)方向逐漸從汽輪機(jī)軸向轉(zhuǎn)為汽輪機(jī)徑向方向,后因受到汽輪機(jī)外缸的限制,蒸汽流動(dòng)方向轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直向下流動(dòng)。同時(shí),由于喇叭形流道的引導(dǎo),大量蒸汽被引流到汽輪機(jī)外缸附近才轉(zhuǎn)為豎直向下流動(dòng),因此在靠近排汽缸壁面處聚集了大量蒸汽。盡管后續(xù)通過(guò)排汽缸直通道喉部擴(kuò)壓通道的流動(dòng)發(fā)展,但由于流動(dòng)發(fā)展空間有限,且喉部?jī)?nèi)低壓加熱器等部件存在阻擋,蒸汽在喉部出口處的速度分布仍然表現(xiàn)為喉部出口周界處速度較大、中間區(qū)域速度較小。

4 凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)的模擬結(jié)果

在入口蒸汽均勻和不均勻分布2種條件下,分別進(jìn)行凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)的數(shù)值模擬。蒸汽不均勻分布的入口邊界條件是對(duì)凝汽器喉部出口截面進(jìn)行子區(qū)域劃分[如圖4(c)中黑色線條所示],提取子區(qū)域內(nèi)蒸汽流動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)并經(jīng)處理后得到的。

圖5為提取得到的凝汽器殼側(cè)入口蒸汽的不均勻速度分布。其中，從右至左為模塊1至模塊4，以下的圖均為此排列方式。

圖5 凝汽器殼側(cè)不均勻蒸汽入口流速分布

由圖5可以看出:由于上游排汽缸和喉部的存在,首先蒸汽流動(dòng)方向并不是豎直向下,而是在各處以不同的傾斜角度流入凝汽器殼側(cè);其次,各處蒸汽流動(dòng)速度大小也不相等,在靠近凝汽器殼體壁面和殼體對(duì)稱線處速度較大,而在管束上方速度較小。

2種入口邊界條件下,數(shù)值模擬得到的凝汽器殼側(cè)蒸汽流場(chǎng)分布如圖6所示,其中,上圖為入口蒸汽均勻分布下的結(jié)果,下圖為入口蒸汽不均勻分布下的結(jié)果。

入口蒸汽分布均勻條件下的計(jì)算結(jié)果表明:一是蒸汽進(jìn)入凝汽器殼側(cè)后,不僅從管束區(qū)頂部進(jìn)入管束區(qū),而且還通過(guò)左右兩側(cè)通道和中間流動(dòng)通道流入凝汽器殼側(cè)下部,沿途不斷從管束模塊外圍通過(guò)“樹枝”間的通道流入管束區(qū)深處,流進(jìn)管束模塊內(nèi)部,形成了包繞著管束模塊的“向心”流動(dòng)趨勢(shì);二是蒸汽在4個(gè)管束模塊區(qū)域的流動(dòng)情況基本一致。

入口蒸汽分布不均勻條件下的計(jì)算結(jié)果與均勻條件下的計(jì)算結(jié)果存在以下明顯不同:一是由于近凝汽器喉部周界區(qū)域流速較大,且該處與凝汽器殼側(cè)的蒸汽通道對(duì)接,因此導(dǎo)致更多的蒸汽被引導(dǎo)至凝汽器下部,形成蒸汽繞流下部管束模塊后再流向相鄰管束模塊側(cè)邊中間區(qū)域的流動(dòng)特點(diǎn);二是模塊1和模塊4因臨近入口蒸汽流速的高速區(qū),故其上部樹枝間通道內(nèi)的蒸汽流速相較于模塊2和模塊3要大,尤其是模塊1上部右側(cè)和模塊4上部左側(cè)樹枝間通道內(nèi)的流速較大;三是模塊2和模塊3之間的中間蒸汽通道承接了較大來(lái)流速度的蒸汽,也有將蒸汽引導(dǎo)至凝汽器下部的趨勢(shì),但因蒸汽下沖的流速相對(duì)較小,因此沿途蒸汽不斷通過(guò)模塊2左側(cè)和模塊3右側(cè)的樹枝間通道流入管束深處;四是由于模塊2和模塊3上方入口的蒸汽流速較小,所以2個(gè)模塊上部樹枝間通道內(nèi)的蒸汽流速較小,同時(shí)受到兩側(cè)蒸汽通道和中間蒸汽通道竄流過(guò)來(lái)的蒸汽的包繞,2個(gè)模塊下部樹枝間通道內(nèi)的蒸汽流速反而較大。

2種入口邊界條件下,數(shù)值模擬得到的凝汽器殼側(cè)內(nèi)的壓力、傳熱系數(shù)以及冷卻水出口水溫的分布圖如圖7所示。其中,上圖為入口蒸汽均勻分布下的結(jié)果,下圖為入口蒸汽不均勻分布下的結(jié)果。

由圖7可以看出:當(dāng)入口蒸汽均勻分布時(shí),蒸汽由管束外圍流入其內(nèi)部,蒸汽不斷凝結(jié)使得壓力在管束區(qū)域內(nèi)由外而內(nèi)不斷降低;蒸汽流速相對(duì)較大的管束區(qū)域的傳熱系數(shù)較大,而蒸汽流速已降下來(lái)的管束深處的傳熱系數(shù)則較小;4個(gè)管束模塊由外到內(nèi)呈現(xiàn)由強(qiáng)到弱的冷卻效果。整體來(lái)說(shuō),在入口蒸汽均勻分布條件下,凝汽器內(nèi)部的4個(gè)管束模塊均發(fā)揮了基本相同的冷卻作用。

當(dāng)入口蒸汽不均勻分布時(shí),凝汽器參數(shù)分布表明4個(gè)管束模塊發(fā)揮的冷卻作用不同,同時(shí)也顯示出了模塊1和模塊2內(nèi)的參數(shù)分布情況與模塊4和模塊3的對(duì)稱性。模擬結(jié)果顯示,最明顯的地方是模塊1右下角和模塊4左下角區(qū)域。這兩處傳熱系數(shù)偏小,冷卻水出口水溫偏低,壓力較低,究其原因是由于靠近殼體的通道內(nèi)的蒸汽高速下沖和繞流,蒸汽流入較少。壓力較低的原因并非蒸汽凝結(jié)作用,而是附近通道內(nèi)蒸汽的高速流動(dòng)所致。此外,從整體來(lái)看,管束模塊并不能保持蒸汽向心流動(dòng)的趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

本文在基于喉部出口流場(chǎng)的情況下,對(duì)研究對(duì)象的殼側(cè)蒸汽流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到如下結(jié)論。

(1) 在蒸汽負(fù)荷較大的設(shè)計(jì)工況下,凝汽器喉部出口流場(chǎng)存在明顯的不均勻性,呈現(xiàn)出喉部出口周界處速度較快、中間區(qū)域速度較慢的分布情況。

(2) 對(duì)凝汽器喉部出口流場(chǎng)數(shù)據(jù)提取的結(jié)果顯示:凝汽器殼側(cè)入口蒸汽在各處以不同的傾斜角度流入凝汽器殼側(cè),且速度大小也不相等。

(3) 在入口蒸汽均勻和不均勻分布2種情況下模擬得到的凝汽器殼側(cè)流場(chǎng)分布有所不同。在入口蒸汽均勻分布情況下模擬結(jié)果顯示,蒸汽在4個(gè)管束模塊區(qū)域的流動(dòng)傳熱情況基本一致,呈現(xiàn)出向心趨勢(shì);而蒸汽入口不均勻分布情況下的模擬結(jié)果顯示,蒸汽在兩側(cè)蒸汽通道內(nèi)和中間蒸汽通道內(nèi)有下沖流動(dòng),形成了對(duì)管束模塊的包繞流動(dòng),蒸汽在模塊1和模塊4管束模塊內(nèi)的流動(dòng)沒有向心趨勢(shì)。